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电解水制氢技术的研究现状及未来发展趋势

摘要：氢能作为向绿色低碳能源转型的重要抓手，受到了世界各国的广泛关注和极大重视。电解水制氢作为重要的绿色制氢技术，尤其是利用可再生能源转化的电力制氢，未来具有广阔的市场前景。通过分析4种主要电解水制氢技术和电解槽技术的研究现状，总结了电解水制氢技术的未来发展趋势。以期本研究可为碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢、固体氧化物电解水制氢和阴离子交换膜电解水制氢技术的研究方向提供参考思路，助力电解水制氢技术的研发和商业化进程。

关键词：电解水制氢；电解槽；可再生能源；绿氢；碳达峰；碳中和

引言

氢能作为一种来源广泛、绿色低碳、安全高效且可再生的新能源，凭借较高的能量密度和转化效率，逐渐成为全世界能源转型发展的重要抓手[1]。根据国际能源署(IEA)发布的《全球氢能回顾2022》，全球氢能产业发展呈积极增长态势，2021年，全球氢气总消费量达到9400万t，约占全球最终能源消耗的2.5%。预计到2030年，全球氢气需求有望突破1.3亿t，电解水制氢装机容量将达到134～240GW，同时电解槽年均产能将超过60GW[2]。

随着中国碳达峰、碳中和目标的提出，亟需开发利用绿色低碳的氢能源。2022年3月，国家发展和改革委员会与国家能源局联合印发了《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》，进一步确立了氢能在未来国家能源体系中的重要地位，突出了氢能在绿色低碳能源转型中的重要载体作用和国家能源战略产业中的重要作用[3]。

电解水制氢具有依托绿色低碳能源的技术优势，未来具有广阔的发展空间。本文针对碱性电解水(AWE)制氢、质子交换膜(PEM)电解水制氢、固体氧化物电解水(SOEC)制氢和阴离子交换膜(AEM)电解水制氢4种主要电解水制氢技术的研究现状和未来发展趋势进行系统介绍。

1、电解水制氢技术的现状研究

电解水制氢的基本原理是在由电极、电解质与隔膜组成的电解槽中，将电解质水溶液中通入电流，水中阴阳离子产生定向运动，OH-向阳极移动，在阳极失去电子，被氧化成氧气释放；H+向阴极移动，在阴极得到电子，被还原成氢气释放[1,4]。在4种主要的电解水制氢技术中，AWE制氢是目前最为成熟、性价比最高、应用最多的制氢技术；PEM电解水制氢近年来发展势头强劲，产业化推广案例逐渐增多；SOEC制氢尚处于初步示范阶段；AEM电解水制氢仍处于实验室研发阶段[5-6]。4种电解水制氢技术的基本原理[7-8]如图1所示，其技术特点[6,9]如表1所示。

1.1AWE制氢

AWE制氢是目前最经济、发展最成熟、市场推广和应用场景最多的电解水制氢技术。但相对于PEM电解水制氢，AWE电解槽难以快速启停，负荷响应慢，须时刻保持电极两侧的压力均衡，以防止氢气和氧气穿过多孔隔膜混合，进而引起爆炸。因此，采用碱液电解质的电解槽不适宜与具有快速波动特性的可再生能源配合[10]。

此外，AWE制氢还存在碱液腐蚀危害和系统转化效率尚需进一步提升的问题，开发低成本、高活性、持久、高效、单位体积表面积更大的催化剂成为此种技术的重要发展方向。

钌基催化剂被认为是最具潜力代替铂基催化剂的析氢材料，Jiang等[11]设计出新型肖特基催化剂，其将有晶格压缩应力、均匀超细的钌纳米颗粒负载于氮掺杂碳纳米片(RuNPs/NC)上，实现了高效制氢。该研究表明：氮含量适宜的RuNPs/NC具有良好的催化活性，将其用于电解水制氢时，系统的电流密度为10mA/cm2时催化剂的过电位为19mV，具有较长的电催化寿命。

Li等[12]在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)氛围中，通过在碳素颗粒上还原RuCl3并进行热解，生成了氮掺杂碳(Ru/N-C)下高分散的钌纳米颗粒，Ru/N-C的合成原理图[12]如图2所示。钌纳米颗粒的高表面积和氮掺杂剂作用，使析氢反应(HER)表现出高活性，Ru/N-C在系统的电流密度为10mA/cm2、电解质分别为KOH(溶液摩尔浓度为1.0mol/L)和H2SO4(溶液摩尔浓度为0.5mol/L)时的过电位分别为13.5mV和18.5mV。与商用铂炭催化剂相比，Ru/N-C在碱性和酸性条件下均表现出了优异的性能。

Liu等[13]设计了一种负载在氮掺杂碳纳米管上的新型钌催化剂(Ru@CNT)，检测表明，在碱性条件下(摩尔浓度为1.0mol/L的KOH溶液中)，Ru@CNT仍表现出优异的催化性能和良好的耐久性，在系统电流密度为10mA/cm2时，催化剂的过电位仅为36.69mV，其塔菲尔曲线斜率为28.82mV/dec。HER的高活性主要源于高分散的钌原子和氮掺杂碳纳米管结构，为HER提供了更多的活性位点。

1.2PEM电解水制氢

PEM电解水制氢具有电流密度高、动态响应速度快、与可再生能源适配性好等特点，被认为是未